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挑戰: 開發一個電子裝置以及嵌入式控制軟件，用于對歐洲超大望遠鏡（European Extremely Large Telescope，E-ELT）中主反射鏡的三個位置調整執行器的原型機進行控制和調整， 從而實現以納米級的精度對90Kg的重物進行位置調整。這將作為未來之量產化電子設計的概念原型。 解決方案: 基于NI PXI平臺運行的NI LabVIEW Real - Time和LabVIEW FPGA模塊，可以提供靈活的接口來與多種設備通信，并且能夠在保證較低的延遲和抖動下實現1 kHz的外部位置控制指令更新率；而對于實現內部定位的數據采樣和伺服控制來說，則可實現更高的循環速率。 作者: Miguel Núñez - Instituto de Astrofísica de Canarias Yolanda Martín - Instituto de Astrofísica de Canarias Marcos Reyes - Instituto de Astrofísica de Canarias Teodora Viera - Instituto de Astrofísica de Canarias E-ELT是歐洲南方天文臺（European Southern Observatory，ESO）倡議建設的一個直徑42米的望遠鏡，用于為天文學領域的最新研究探索提供支持。該主反射鏡由984個鏡面組成。如圖1所示，每個鏡面，可以通過三個位置執行器實時移動，用于對支撐結構因重力、溫度、風動等因素所導致的變形進行補償。西班牙航空系統公司（Compañía Española de Sistemas Aeronauticos，CESA）負責對三個位置執行器原型的機械結構進行設計和開發，而加納利天體物理學研究所（Instituto de Astrofísica de Canarias，IAC）則負責對系統中的電子裝置、軟件和伺服控制進行開發。 執行器開發中最具挑戰性的要求包括：達到15mm的行程、支撐90kg的重物、追蹤緩坡信號時實現170納米以下的均方根誤差 （root mean square error，RMSE）、1 kHz外部位置控制指令更新率，以及確保極低的延遲和抖動（如圖1）。 
執行器機械設計方案分為兩個階段。在粗調階段：使用無刷電機，實現一個大的調整行程和較粗的分辨率；在微調階段：使用一個音圈電機，實現高分辨率、高帶寬和小調整行程。每個調整階段都將使用獨立的電源設備、反饋傳感器和伺服控制器。粗調和微調控制器協調工作，最終實現執行器的位置調整。 電子裝置和軟件是位于PXI機箱中，用于實現整體協調、外部命令管理、功能調試和伺服控制，運行有實時操作系統的控制器，可以實現極大的靈活性和計算能力。其中，快速微調伺服控制器通過NI PXI - 7842R現場可編程門陣列（FPGA）模塊實現；而緩慢的粗調控制器則是通過NI PXIe - 8130控制器實現。此外，該軟件設計分為兩個部分：執行器的嵌入式控制軟件和一個望遠鏡模擬器，后者可以作為輔助工具，用于模擬望遠鏡計算機與執行器之間的交互。 執行器軟件 執行器控制軟件是由位于NI PXIe- 8130實時控制器中的程序模塊和位于PXI-7842R FPGA智能數據采集卡中的程序模塊組成。實時控制器中的程序模塊中含有每個驅動器的具體功能，包括：初始狀態檢查、狀態機、狀態字、錯誤寄存器以及配置參數管理。同時也包含其它任務，包括：通過串行外設接口（serial peripheral interface，SPI）收發外部命令來檢查FPGA卡的輸入；通過CAN或CANopen總線控制無刷電機驅動器，來實現粗調伺服控制；管理用于調試的循環緩沖器并同步接收來自FPGA FIFO的數據，通過UDP/ IP讀取傳感器的反饋。FPGA卡則實現了SPI從屬端的功能，負責微調伺服控制、模擬信號寫入和讀取，并且通過FIFO將數據傳遞至實時控制器來實現同步。 望遠鏡模擬器 為根據要求對位置執行器進行測試，我們開發了另外一個軟件，用來模擬望遠鏡計算機（通過SPI接口與位置執行器通信）。這一計算機扮演著SPI主控器的角色，而執行器則位于SPI從屬端。此模擬程序以1 kHz的速率發送數百萬個的位置命令，并以1KHz的速率通過SPI總線讀取從屬端的反應。此外，它還以5kHz的速率從一個安裝于機械測試臺上的附加外部位置傳感器讀取數據，用于對位置執行器的內部傳感器進行交叉檢查。這三個循環都需要以優于200us的精度進行同步，對數據進行二進制格式的存儲以用于離線分析。在長為一小時的測試中，所存儲的文件將大于100 MB。圖2中的圖形用戶界面顯示了命令管理、以及附加外部位置傳感器數據的時域和頻域同步顯示。 我們所采用的解決方案使用一個帶有數字I/O的NI PCI -7811R FPGA卡，安裝在基于Windows XP的電腦上（如圖2所示）。
兼具實時性和靈活性 執行器的電子控制裝置和軟件包含多種接口（如圖3所示），而且其中大部分接口都可以在開發的初始階段進行更改，包括： * 帶有4MHz時鐘的SPI接口，能夠每ms接受一個外部命令 * CAN總線接口，對粗調電機進行控制，并使用CANopen作為應用層協議，提供諸如行程限位和硬件報警等信息 * 模擬輸出接口，控制微調音圈電機 * 模擬輸入接口，監視微調音圈電機的當前狀態 * 基于以太網的UDP/IP協議接口，讀取外部位置傳感器的電子裝置中的數據 * 基于以太網的TCP/IP協議接口，下載并調試輔助的離線數據 * 數字輸入接口，用于讀取原點位置傳感器的數據 使用這些接口需要極大的靈活性。 如下功能則需要實時特性： * 使用SPI從屬設備以80MHz的速率讀取數字輸入，在幾微秒的時間內對一個新的外部命令作出響應 * 執行快速微調伺服控制，包括基于若干個2kHz到10kHz濾波器的PID（比例微分積分 - proportional integral derivative）控制，并且在開發的最后階段可調 * 同步并存儲二進制數據文件，用于SPI外部命令（1kHz）、音圈電機當前模擬輸入（2kHz）、基于以太網的位置傳感器數據采集（2–10 kHz）和伺服控制器內部變量（2–10 kHz）等數據的離線分析 使用商業現成可用的（commercial off-the-shelf，COTS）的平臺滿足這些要求，需要在靈活性和實時性之間作出折衷。然而，通過使用NI硬件，并通過LabVIEW Real-Time 和 LabVIEW FPGA模塊進行編程，我們所獲得的實時特性超出了上述要求，而且各種接口均可調整，無需犧牲靈活性（圖3）。
結論 NI PXI平臺幫助我們在保持系統靈活性和實時性的同時顯著減少了開發時間，而且能夠滿足電子裝置/軟件方面的設計要求。使用LabVIEW，可以在同一個軟件環境中對實時控制器和FPGA模塊進行編程，幫助我們快速集成系統，并確保系統獨立、可靠。此外。此外，NI工程師為我們提供了快速且有效的幫助，讓我們更快完成開發。 作者信息: Miguel Núñez Instituto de Astrofísica de Canarias 西班牙 |
